- 1 - 二、项目综述 2018年3月，秦皇岛国际旅游港和自由贸易港一期工程开工，项目涵盖邮轮、游艇帆船及游船码头改造项目。其中秦皇岛港西港区工作船码头，主要施工内容为新建58座浮码头泊位，浮码头共由3条主浮桥、29条支浮桥组成，浮码头采用浮箱-铝合金结构骨架-面板的设计形式，其中铝合金结构骨架采用焊接工艺制作。新建浮码头面积约1400m2,需用铝合金约28t,焊接作业工程量巨大,同时焊接质量好坏是决定浮码头工程安全使用功能的重要因素。 由于焊接工程量巨大，焊接母材较为特殊，同时浮码头环境条件特殊，承受海浪冲击力较大，项目部将焊接作业作为质量控制重点。经公司技术部门研究决定采用MIG激光焊接工艺，自行组织焊接工艺评定，保证焊接质量，同时确保浮码头整体骨架满足安全使用功能。 浮码头布置情况见下图： - 2 - - 3 -
三、项目详细内容 （包括立项背景、技术方案、应用情况、实施效果等） 一、立项背景 焊接技术虽然是机电工程中最常用的技术之一，但是随着科技的发展各种新型材料层出不穷，同时针对不同工程作业环境、使用环境均不相同，所以针对特定材料特定作业环境和使用环境有必要进行焊接工艺评定，根据评定结果编制焊接作业指导书，指导焊接作业和焊后热处理。 MIG激光焊接是一种以惰性气体作为引弧介质，并保护金属容滴、焊接熔池和焊接区高温金属的熔化焊接方法。该工艺成本低、操作灵活，是世界上应用最广泛的焊接方法之一。MIG电弧燃烧稳定、容滴向熔池过度平稳，焊缝成形均匀、美观。目前，国外铝合金的焊接90%以上采用MIG方法。 铝合金激光焊接常见缺陷： 1.气孔。气孔是铝合金激光焊接中出现最多和最主要的一类缺陷，尺度从几百微米到几毫米不等。气孔不仅削弱焊缝的有效工作断面，同时也引起应力集中，降低焊接接头的动载强度和疲劳强度。 2.热裂纹。热裂纹形成于熔池金属凝固过程中，是铝合金激光焊接较为常见的缺陷类型之一。其产生的原因主要与其自身的特性和焊接工艺有关。 3.咬边与焊穿。铝合金的电离能较低，焊接过程中光致等离子体易于过热和扩展，造成焊接过程不稳定。此外液态铝合金流动性好、表面张力小常需要较大的保护气流和激光输出功率，焊 - 4 -
接过程稳定性变差，从而导致出现咬边和焊穿等缺陷。 4.夹渣。夹渣的产生主要源于焊件和焊丝表面的氧化物以及铝合金材料国产化过程中的工艺不稳定。 - 5 - 二、焊接工艺评定总体方案 焊接工艺评定是指为验证拟定的焊接工艺正确性而进行的实验过程及结果评价,同时验证施焊单位作业能力。 1.铝合金材料 根据设计要求浮桥主材选用6061-6T 铝合金结构，相较于钢结构铝合金结构具有重量轻，减少材料和能源消耗，同时确保结构强度刚度。6061-6T型铝合金材料含AI-MG-SI元素，合金强度会随加热温度的提高和溶质原子的充分固溶而提高,延伸率也会因时效强化而发生显著变化。若时效温度过高，时效时间过长，将会使铝合金的强度大幅降低。总体来说该合金有较好的耐腐蚀性和焊接性能。 - 6 - 2.激光焊接设备 激光器的特性参数较多,如光束参数积、发散角和聚光斑尺寸等，其中激光束参数乘积（BPP）决定了激光加工的质量范围 BPP=λ/πκk=λM2/π 式中：λ为激光的波长；k为光束传播系数（0.1-1.0）；M为光束衍射极限倍数（1-10）。 一般来说，激光束的聚焦参数越小，聚焦斑点就越小，光束能量密度越大，用于铝合金深熔焊接加工的功率阈值也会降低。此外，材料与激光的相互作用决定了焊接质量。为此为提高铝合金激光焊接的效率和质量，一方面可采用大功率激光热源，另一 - 7 -
方面可采用合适的表面处理工艺，以及选择合适的接头细节。 目前用于铝合金焊接的激光器有气体激光器、固体激光器、半导体激光器以及光纤激光器。气体CO2激光器是目前种类最多、波长分布区域最宽和应用最为广泛的一类激光器，为提高激光器的输出功率和工作效率，还加入一定含量的N2、CO、H2等辅助气体。下图为本次焊接选用的德国Rofin公司的扩散冷却式CO2激光器，该激光器具有结构紧凑、光束质量高、气体消耗小、维护成本低等优点。
3.激光焊接方法 铝及铝合金的熔化极惰性气体保护焊，也称MIG焊，是GMAW气体保护焊的一种，这种焊接方法是利用连续送丝与工件之间燃 - 8 -
烧的电弧作热源，由焊炬喷出的气体来保护电弧进行焊接。目前国内针对厚板铝合金的焊接普遍采用MIG这种焊接方法。 激光-MIG复合焊接能焊接的板厚度更大、工程适应性更高。MIG电弧的加入有助于提高焊接时的间隙搭桥能力，同时降低了单激光对坡口的制备和装备精度要求；填充材料通过复合熔池加入，可以改善焊缝微观组织，提高焊缝的综合力学性能。 4.试样准备及焊接参数 6061-6T铝合金试板尺寸为250*125*4mm3、250*125*6mm3、250*125*8mm3、250*125*10mm3,焊接填充材料采用φ1.6mm的国产ER5356焊丝，各尺寸试板分别按如下参数进行试焊。主要焊接参数及成形性见下表：
编号 激光功率 /kW 焊接参数 焊接速度 /（m/min） 正面焊缝及成形性 脉冲 功率=A*V
1# 3.0 单脉冲 130*20 0.83 连续，鱼鳞明显 2# 2.5 单脉冲 130*20 0.83 连续，鱼鳞明显 3# 2.2 单脉冲 130*20 0.83 连续，鱼鳞明显 4# 2.0 单脉冲 170*20 0.83 连续，鱼鳞明显 5# 2.0 单脉冲 160*20 0.64 成形不连续 6# 1.8 单脉冲 180*20 0.83 成形连续 7# 1.8 单脉冲 160*20 0.64 连续，鱼鳞明显 8# 2.0 单脉冲 110*20 0.64 成形连续 9# 1.5 单脉冲 180*20 0.64 成形不连续 10# 1.3 单脉冲 210*20 0.64 成形连续 - 9 -
5.焊缝成形及力学性能检测 （1）气孔 根据试样焊接结果，随着激光功率增大，气孔数量和尺寸都有增大趋势。这是由于激光功率越大，焊缝熔深越大，熔池金属中的气体更不容易溢出，最后造成气孔数量增多。 （2）拉伸强度 6061-T铝合金母材拉伸强度为293.5MPa。经实验测定各试样接头拉伸强度平均值可达到母材强度60%以上。 （3）抗弯性能 抗弯实验中将接头弯曲角度设置为180°，圆弧变形过度良好。 （4）冲击韧性 冲击位置在焊缝处的冲击功分别为7J、6.8J、6.1J，冲击位置在母材侧的冲击功分别为12J、13J、11.2J。分析可见接头在焊缝位置处的冲击功比母材处低，接头的冲击韧性比母材低。 根据工艺评定结果及相关规范编制完成焊接工艺评定报告为确定焊接工艺规程提供技术性数据。 6、焊接作业指导书 根据焊接工艺评定结果及焊接工艺评定报告编制完成《6061-6T铝合金材料MIG激光焊接作业指导书》指导本次浮码头铝合金骨架焊接作业。焊接作业指导书主要技术参数如下： - 10 -
焊丝直径 保护气体 气体流量 L/min 焊丝伸长度(mm) 焊接电流 (A) 电弧电压（V） 焊接速度 （m/min） 1.6mm Ar+20%CO2 15-20 10-15 160-210 20 640-830 不同的焊接电流所适用的母材厚度和焊接位置 焊接电流 （A） 120-130 180-200 240-300
焊接位置 立焊 橫焊 平焊 板厚（mm） 2-5 6-8 ≥10 - 11 -
四、主要技术创新点 激光焊接是21世纪高性能长寿命铝合金结构的先进制造技术之一。与传统的弧焊技术相比，在装备精度、焊接效率、工艺柔性等多个方面具有无可比拟的优越性。本次激光焊接方案在焊接速度、保护气体上均是一次全新的尝试，增加焊接线能量提高焊接速度以提高作业效率，采用氩气和二氧化碳混合保护气体以提高更好的焊接保护。经过焊接工艺评定形成以上“焊接作业指导书”指导焊接，焊接外观质量优良，经实验检测满足相关规范要求可广泛用于铝合金焊接作业，指导生产。 - 12 -
五、项目获得知识产权授权及发表论文情况 （包括发明专利、实用新型专利、计算机软件著作权、科技论文等） 暂无 - 13 - 六、项目应用情况、经济效益和社会效益 1、推广应用情况（概述） 一、应用情况 1.按评定后的焊接工艺指导施焊，电弧燃烧稳定，有效控制气泡和裂纹产生，焊缝成形均匀美观； 2.经无损检测及力学性能试验，该工艺焊缝质量稳定，并体现出优良的拉伸强度、弯曲强度、冲击韧性； 3.MIG激光焊接热输入和焊接变形小，能够实现大速度自动化焊接，生产效率获得了大幅提高。 4.形成的《6061-6T铝合金材料MIG激光焊接作业指导书》为该型号铝合金MIG焊接提供指导性文件，可用于该型号铝合金激光焊接作业指导，在行业具有参考意义。 二、实施效果 本次秦皇岛港国际旅游港一期工程-游艇临时浮码头建设工程浮码头铝合金结构焊接作业，全部采用本次焊接工艺评定形成的“焊接作业指导书”施焊，成品结构焊缝饱满美观，经无损检测及力学实验焊缝内部结构及力学性能优良。 另外在八月中旬本期浮码头全部安装完成后， 秦皇岛受百年不遇的台风影响,连续约一周暴雨大风，本期工程在承受数日远超设计要求的风浪影响后，仍能保证主体结构完好无损，这也充分检验了浮码头主体结构的安全可靠，间接检验了骨架结构的焊接质量。 成品结构见下图：